李永磊 徐澤昕 萬里鵬程 馬 翔 宋建農(nóng) 陳海軍

(1.中國農(nóng)業(yè)大學工學院, 北京 100083; 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計研究院, 北京 100125)

0 引言

種子清選機是用于農(nóng)作物種質(zhì)材料清選除雜的機械設(shè)備[1]。種子清選機工作原理為概率透篩原理,清選機通常做近似往復直線運動,單一的運動趨勢不利于種子快速穿透篩孔,且當工作參數(shù)不匹配、料層厚度不適宜及物料與篩孔尺寸相近難篩分時容易發(fā)生透篩概率下降、篩孔卡種堵塞等問題,從而影響清選機篩分效率和清選質(zhì)量[2-4]。在種子清選機持續(xù)作業(yè)過程中,篩面堵塞現(xiàn)象時有發(fā)生,經(jīng)常需要人工停機清理篩面,極大地降低了工作效率。為提升篩分效率、減少或避免篩孔卡種、及時清理篩面滯留種子,通常在清選機篩分裝置中配套安裝有清篩裝置[5]。清篩裝置的作用主要體現(xiàn)于篩分過程中對種子料群的有效激勵及篩分結(jié)束后的篩面清理。清篩裝置的作業(yè)性能直接影響清選機的清選質(zhì)量及清選效率。

常見的清篩裝置有擊打式、架刷式、橡膠球清篩裝置等。其中,擊打式清篩裝置作業(yè)頻率較低,裝置龐雜需要較大安裝空間[6];架刷式清篩裝置毛刷易損壞,需要嚴格保證平行度,且無法在清選作業(yè)過程中為篩面物料提供動能,兩者的使用受到限制;橡膠球清篩裝置以其穩(wěn)定性高、故障率低等優(yōu)點被廣泛應用于國內(nèi)外種子清選機中。在農(nóng)作物種子生產(chǎn)中,橡膠球清篩裝置等對篩面的適度外部激勵是實現(xiàn)物料高效透篩和種子清選機正常工作的重要條件,但橡膠球為隨機彈跳,其清篩激振力受篩分種子適用工作參數(shù)影響與制約,且橡膠球清篩技術(shù)多源于生產(chǎn)實踐與經(jīng)驗設(shè)計,缺少設(shè)計依據(jù)[7]。隨著種子加工裝備向自動化、智能化方向發(fā)展,橡膠球清篩裝置的清篩效果受到結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)制約,無法滿足現(xiàn)代種子精細加工及清選要求,橡膠球激振力難以精準調(diào)控、停機清理篩面作業(yè)復雜繁瑣等問題日益突出,迫切需要研發(fā)清篩激勵精準可控、篩面自動清理的種子清選機清篩裝置。

綜上所述可知,為提高篩面物料分散度,減少堵孔幾率,研究熱點主要集中在篩片結(jié)構(gòu)創(chuàng)新及振動篩工作參數(shù)優(yōu)化上[8-24],而借助外部激振力提高清選機作業(yè)質(zhì)量的方法并未得到研究學者的重視。針對橡膠球清篩裝置激振力難以精準調(diào)控問題,本文以課題組研制的批次式種子清選機[1]為依托,擬研制電磁變頻激振清篩裝置,設(shè)計激振清篩單體與變頻激振控制系統(tǒng);分析振動激勵作用機制,研究彈簧預壓縮量與激振頻率對振動激勵的影響規(guī)律;開展玉米種子清選試驗以獲得較優(yōu)的工作參數(shù)。采取分段設(shè)置工作頻率與清篩頻率的方法,實現(xiàn)清篩裝置激振力的精準調(diào)控,滿足不同工況下正常篩分與強振清篩的作業(yè)要求。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 電磁變頻激振清篩裝置排布與安裝

以課題組研發(fā)的批次式種子清選機為依托,驗證電磁變頻激振清篩裝置作業(yè)效果[1]。為使篩面各區(qū)域均勻受到激振作用,將6個激振清篩單體均勻排列于批次式種子清選機的篩片下方,每兩個激振清篩單體(間距140 mm)安裝于一個激振裝置安裝板上,并通過側(cè)邊螺釘固定,安裝板間距100 mm,安裝示意圖與樣機實物如圖1所示。

圖1 清篩裝置安裝示意圖與樣機實物圖

篩分時,各激振清篩單體以工作頻率Pg運行,保證篩面上物料松散均勻,種子順利分層透篩;篩分結(jié)束后清篩時,各激振清篩單體改變?yōu)樽罡哳l率運行,對篩片施加高頻激振,實現(xiàn)對篩面滯留種子的清理。

1.2 激振清篩單體結(jié)構(gòu)

為滿足激振清篩裝置在有限空間內(nèi)起到良好激振清篩作用的設(shè)計要求,本裝置體積較小、響應頻率較高,總高度僅為55 mm。激振清篩單體結(jié)構(gòu)簡圖與實物圖如圖2所示,主要部件包括交流電磁鐵、復位彈簧、頂柱、導柱等。

圖2 激振清篩單體結(jié)構(gòu)簡圖與實物圖

電磁鐵為220 V交流電磁鐵,外殼包括殼體、端蓋,殼體內(nèi)部分為上腔和下腔,電磁鐵安裝在殼體下腔并由端蓋壓緊固定,導柱固定在殼體上腔。頂柱穿過殼體中間孔并沿導柱軸向滑移,鎖緊螺母(數(shù)量為2個)安裝在頂柱上并與壓片、復位彈簧共同作用使頂柱緊貼殼體下腔端面,頂柱與電磁鐵之間預留一定間隙。

1.3 工作原理

電磁變頻激振清篩裝置均勻排布置于篩片下,當電磁鐵通電時產(chǎn)生吸力,吸引頂柱滑向電磁鐵,電磁鐵斷電無吸力時頂柱在復位彈簧的作用下反彈撞擊篩片,對篩片施加垂直向上可自主調(diào)控的激振力。通過分段設(shè)置工作頻率與清篩頻率,實現(xiàn)清篩裝置激振力的精準調(diào)控:篩分時,各激振清篩單體以對應該類種子的工作頻率運行,使篩片受迫振動產(chǎn)生微變形和微彈力,為種子粒群補充動能并增強種群擾動,增加透篩概率和減少卡種機率;篩分結(jié)束后清篩時,各激振清篩單體激振頻率增大為50 Hz(清篩頻率,交流電磁鐵最大磁通變化頻率),使篩片高頻振動,清理篩面滯留的種子。電磁變頻激振清篩裝置的激振力及工作頻率是影響種子清選質(zhì)量與效率及清篩性能的關(guān)鍵因素。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 激振清篩單體設(shè)計

2.1.1電磁鐵設(shè)計

為實現(xiàn)高頻響應的激振動作,電磁鐵應具有較大的吸力,且響應時間較短。對比直流電磁鐵及交流電磁鐵,直流電磁鐵通電時吸力較工作時小,而交流電磁鐵無明顯區(qū)別[25];直流電磁鐵額定電壓較低,相同線圈匝數(shù)下磁力較弱,故優(yōu)選交流電磁鐵。根據(jù)清篩裝置尺寸要求選用鐵芯截面尺寸為10 mm×15 mm,線圈匝數(shù)8 000,交流電磁鐵結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。

圖3 交流電磁鐵結(jié)構(gòu)簡圖

當交流電磁鐵的鐵芯線圈通入正弦交流電時,鐵芯產(chǎn)生交變磁通。交流電磁鐵線圈端電壓與鐵芯中磁通關(guān)系為

U=4.44pMφm

(1)

式中U——外加電源電壓,V

p——外加勵磁交流電頻率,Hz

M——鐵芯線圈匝數(shù)

φm——鐵芯中磁通最大值,Wb

U取220 V,p取50 Hz,M取8 000,代入式(1)可得φm=1×10-4Wb。

交流電磁鐵的磁感應系數(shù)為周期性變化,其平均吸力為

(2)

(3)

式中Fm——電磁鐵平均吸力,N

S——鐵芯截面積,m2

μ0——空氣磁導率

Bm——磁感應強度,T

μ0取4π×10-7,S取1.5×10-4mm2,代入式(2)及式(3)可得Fm=13.4 N,由于此值為不考慮漏磁及線圈發(fā)熱損耗所得,實際吸力偏小。

2.1.2復位彈簧設(shè)計

復位彈簧的作用是為初始狀態(tài)時壓縮提供預壓力,使頂柱與電磁鐵間保持一定間距,在電磁鐵通電后,頂柱下移,斷電后在復位彈簧的作用下反彈撞擊篩片,故所選復位彈簧彈性系數(shù)應與電磁鐵吸力相匹配。

復位彈簧彈性系數(shù)為

(4)

式中k——復位彈簧彈性系數(shù)

G——彈簧材料剪切模量,Pa

d1——彈簧線徑,mm

n——彈簧有效圈數(shù)

D1——彈簧中心直徑,mm

初始狀態(tài)時彈簧彈力應滿足

kx0≥m1g

(5)

式中x0——彈簧預壓縮量,mm

m1——頂柱與壓片質(zhì)量和,kg

g——重力加速度,m/s2

電磁鐵通電時,若

Fm+m1g>kx0+kx

(6)

式中x——壓片與電磁鐵間距,mm

電磁變頻激振清篩裝置能正常工作,導柱可在電磁鐵吸力作用下向下運動并壓縮彈簧,且壓片與電磁鐵間距需在電磁鐵吸力作用范圍內(nèi)。

反彈時由于距離較短,頂柱撞擊篩面的激振力約為

F1=kx0+kx-m1g

(7)

式中F1——頂柱撞擊篩面的激振力,N

根據(jù)電磁鐵吸力選用彈簧尺寸為:d1=1 mm,n=10,D1=10 mm。分析可知彈簧預壓縮量不應過大,壓片與電磁鐵間距不宜過大。其他參數(shù)一定時,激振力隨彈簧預壓縮量增大而增大,當增大到一定值時,電磁鐵吸力不足以吸引頂柱,清篩裝置無法正常工作。由式(7)可知,電磁鐵大小一定、最大吸力一定,激振裝置作業(yè)性能與彈簧彈性系數(shù)、預壓縮量、壓片與電磁鐵間距密切相關(guān),通過調(diào)節(jié)三者大小即可調(diào)節(jié)激振清篩單體激振力,達到最佳作業(yè)效果。

2.1.3激振力測定與調(diào)節(jié)

理論計算無法精準獲取清篩裝置激振力,故搭建激振力測定裝置,使用HP-DS8X25型動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)并處理,試驗裝置如圖4所示,將拉壓傳感器固定于鋁型材支架上,激振清篩單體固定放置于傳感器下方,受到激振清篩單體撞擊后將變形量輸出至信號測試分析系統(tǒng)中。

圖4 激振力測定裝置實物圖

首先對傳感器進行標定,標定試驗時將測定裝置倒置,在傳感器有效受力區(qū)域采用標準砝碼加載進行參數(shù)標定[26],建立拉壓傳感器受力與應變片變形量之間的對應關(guān)系,砝碼質(zhì)量分別選取10、20、50、100、200、300、400 g,最終擬合方程為

Fs=0.003+0.025b(R2=1)

(8)

式中Fs——拉壓傳感器受力,N

b——應變片變形量,μm

影響激振清篩單體激振力的主要因素為彈簧彈性系數(shù)、預壓縮量、壓片與電磁鐵間距,前期預試驗表明,水稻、玉米、小麥清選時所需激振力無明顯差別,故選擇易調(diào)節(jié)的彈簧預壓縮量為試驗因素,測定不同壓縮量下清篩裝置激振力,方便后續(xù)試驗調(diào)節(jié)。由于頂柱螺紋螺距為1 mm,鎖緊螺母每旋轉(zhuǎn)一周下移1 mm,彈簧預壓縮量增大1 mm。以彈簧預壓縮量為試驗因素,以激振力為試驗指標,開展單因素試驗,分別測定不同彈簧預壓縮量下激振清篩單體的激振力,激振力測定結(jié)果如表1所示。

表1 激振力測定結(jié)果

分析試驗數(shù)據(jù)可知,與前述理論分析一致,激振力隨預壓縮量增大而增大,最大激振力為8.0 N。當預壓縮量大于4 mm時,電磁鐵吸力無法吸引頂柱,激振清篩單體無法正常工作。根據(jù)前期預試驗,激振力8.0 N滿足設(shè)計要求,可有效分散篩面上種子物料。

2.2 變頻激振控制系統(tǒng)設(shè)計

為實現(xiàn)清選作業(yè)過程中電磁變頻激振清篩裝置工作頻率及清篩頻率的分段自動調(diào)節(jié),設(shè)置兩組光電傳感器監(jiān)測清選過程所處時段,自動調(diào)節(jié)各激振清篩單體的激振頻率。控制系統(tǒng)硬件組成如圖5所示,以STM32(型號為F407ZGT6)微控制器為處理核心,完成傳感信號的及時處理及作業(yè)過程控制。參考文獻[27]中傳感器布置方式,傳感器安裝位置如圖1所示。1號對射光電傳感器監(jiān)測料斗中物料料位,當監(jiān)測到給料裝置內(nèi)物料充滿后,進入篩分時段,延遲4 s,各激振清篩單體以預設(shè)工作頻率工作,持續(xù)完成種子清選過程;2號對射光電傳感器監(jiān)測下篩面出料處物料料位狀況,當監(jiān)測到物料停止排出后,進入清篩時段,延遲3s,各激振清篩單體以50 Hz(清篩頻率)工作,完成篩面滯留種子的清理[27]。

圖5 控制系統(tǒng)硬件組成圖

交流電磁鐵通、斷電一次即完成一次激振作業(yè),將各激振清篩單體連接繼電器組,通過控制繼電器組的電壓來控制激振清篩單體激振頻率。控制器調(diào)用定時器TIM9通道1的PWM波,通過調(diào)整比較捕獲寄存器賦值改變PWM波占空比,調(diào)整自動重裝載值改變PWM波的頻率,在PE5端口輸出可調(diào)節(jié)電壓值,控制各激振清篩單體工作頻率,實現(xiàn)工作過程中激振頻率自動調(diào)節(jié)。

PWM波頻率為

(9)

式中Fp——PWM波頻率,Hz

Tc——定時器時鐘頻率,Hz

Ar——自動重裝載值

Ps——預分頻系數(shù)

使用TBS1102X 1072C型數(shù)字示波器測定PWM波實際頻率時發(fā)現(xiàn),由于部分計算誤差,實際設(shè)置參數(shù)Ps為83 999,Ar取值為8 999時,PWM波頻率為1 Hz,故保證Ps值一定,通過調(diào)節(jié)Ar取值即可準確實現(xiàn)電磁變頻激振清篩裝置激振頻率的調(diào)控。

清選作業(yè)結(jié)束后,將繼電器設(shè)置為連續(xù)通電狀態(tài),此時交流電磁鐵自身磁力不斷變化產(chǎn)生振動,且交變頻率為220 V交流電的頻率即50 Hz(清篩頻率),與頂柱振動疊加實現(xiàn)高頻振動清理篩面殘留種子。

3 振動激勵作用機制分析

根據(jù)前期預試驗,各激振清篩單體在對應區(qū)域的激振作用是獨立的,為簡化分析,忽略疊加區(qū)域影響,以激振清篩單體為例,分析其對篩片及種子顆粒的作用機制。在激振清篩單體頂柱撞擊作用下,篩片將沿圖6中虛線作彈性振動,篩孔變形后形狀近似為錐形孔,在篩面振動過程中始終以激振力作用周期作周期性張縮變化,周期性張縮變化前后篩孔狀態(tài)簡圖如圖6a～6c所示,種子顆粒落入后狀態(tài)如圖6d、6e所示。

圖6 篩孔周期張縮變化示意圖

設(shè)篩孔尺寸為L,顆粒尺寸為d,0.75L

圖7 篩孔變形周期顆粒受力圖

篩孔對顆粒的擠壓力為

(10)

式中E——篩面彈性模量,Pa

A——篩孔橫截面積,mm2

顆粒慣性力為

Fa=ma

(11)

式中m——落入篩孔顆粒質(zhì)量,kg

a——落入篩孔顆粒加速度,m/s2

篩孔不變形的情況下顆粒透篩力為

Ft1=Fa-2f=ma-2μFk

(12)

式中Ft1——篩孔不變形時顆粒透篩力,N

μ——篩孔摩擦因數(shù)

篩孔變形時彈性轉(zhuǎn)角為

(13)

式中λ——篩孔變形時彈性轉(zhuǎn)角,(°)

篩孔變形后半周期顆粒透篩力為

Ft2=Fa+2Nsinλ-2f′cosλ=ma+2Nsinλ-2μNcosλ

(14)

彈性壓力可近似表達為

(15)

故N=Fk,此時Ft2>Ft1,種子顆粒堵孔可能性減小,在篩孔變形后半周期向下透篩幾率增大。

篩孔變形處于前半周期時,當頂柱撞擊篩面后,通過激振力F來表示垂直篩面方向的作用效果,堵孔顆粒的受力如圖8所示。

圖8 受激振力后堵孔顆粒受力圖

垂直篩面方向受激振力后顆粒透篩力為

Fc=-ma+2Nsinλ-2μN+F

(16)

故當篩面受到激振力瞬間,激振力大于其他作用力,使得透篩力Fc迅速增大,與撞擊篩面前的方向相反,垂直篩面向上,增大了堵孔顆粒向上運動透篩概率。同時,受激振作用后篩面加速度提高,傳遞給顆粒后提高顆粒運動加速度,有助于分散物料,故篩面加速度可有效表征清篩裝置對篩面的激振作用。

同時,在篩分過程中,堵孔顆粒也會受到篩上物料的撞擊,當篩孔變形處于后半周期時,堵孔顆粒受力分析如圖9所示。

圖9 受物料撞擊后堵孔顆粒受力圖

垂直篩面方向受物料撞擊后透篩力為

Fw=ma+2Nsinλ-2μN+Fz

(17)

式中Fz——篩上物料撞擊力,N

當篩上物料撞擊堵孔顆粒時,垂直向下的透篩力增大,故篩孔變形后半周期堵孔顆粒受篩上物料撞擊后向下透篩概率增大,向下彈出。

綜上分析可知,電磁變頻激振清篩裝置激振力有助于增大堵孔顆粒在變形周期內(nèi)向上或向下透篩的概率,提高篩分效率。可控的激振力有利于提高篩面加速度,促進篩面種子松散分層,且篩分結(jié)束后,高頻的激振力將大幅度促進篩面殘留種子脫離篩孔,實現(xiàn)篩面清理。針對不同種子物料,所需激振力及頻率略有不同,激振力過大、頻率過高將導致篩面種子運移速度過快,降低透篩概率,影響實際篩分效果,需通過種子清選試驗進一步探明。

4 振動激勵影響因素分析

測定篩面中心受激振后的加速度幅值,以表征清篩裝置對篩面的振動激勵作用。通過改變電磁變頻激振清篩裝置彈簧預壓縮量(激振力)、激振頻率,對篩面進行動力特性測試以探究兩因素對振動激勵影響。

4.1 振動激勵試驗系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)由批次式種子清選機、振動測試裝置組成。在篩分裝置運行過程中,電磁變頻激振清篩裝置沖擊篩面,促進篩面彈性振動加速變形,增大篩面加速度,促進物料分散、透篩。篩面尺寸為480 mm×250 mm,篩孔尺寸為φ7.5 mm。采用南京賀普科技有限公司生產(chǎn)的HP-ICP型加速度傳感器,數(shù)字信號經(jīng)HP-GLFDQ型模擬信號隔離放大器輸出至動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)處理。為探明激振作用下篩面加速度變化,將加速度傳感器布置于篩面中心點處,在作業(yè)過程中通過信號處理獲取篩面加速度時域信號[28],試驗裝置如圖10所示。

圖10 試驗裝置實物圖

4.2 振動激勵試驗方法

對激振頻率進行單因素試驗時,篩面振動頻率為6 Hz,振幅6 mm,激振力調(diào)節(jié)為彈簧預壓縮2 mm,采樣頻率設(shè)置為1 000 Hz,激振頻率分別為0.5、1、2、4 Hz;對彈簧預壓縮量進行單因素試驗時,篩面振動頻率為6 Hz,振幅6 mm,激振頻率保持1 Hz,采樣頻率設(shè)置為1 000 Hz,預壓縮量分別為1、2、3、4 mm。

4.3 振動激勵試驗結(jié)果與分析

篩分裝置運動過程中,篩面自激振動加速度變化如圖11所示,在1 s內(nèi)加速度變化周期為6次,與實際篩面振動頻率規(guī)律一致,其加速度幅值僅為1.279 m/s2,無法實現(xiàn)對篩面物料的分散擾動,單純往復振動下物料篩分效率及質(zhì)量較差,容易產(chǎn)生篩面擁堵。

圖11 篩面自激振動加速度變化曲線

以激振頻率1 Hz、彈簧預壓縮量2 mm為例,激振瞬間篩面加速度變化曲線如圖12所示。頂柱撞擊后篩面瞬間發(fā)生形變,瞬時加速度達到最大值,并逐漸衰減,在激振裝置作用下篩面自激振動不起主要作用,僅體現(xiàn)在加速度衰減過程中曲線波形的微小波動。

圖12 激振瞬間篩面加速度變化曲線

激振頻率加速度單因素試驗結(jié)果如圖13所示,當彈簧預壓縮量為2 mm時,加速度幅值隨激振頻率的增大而增大,總體呈現(xiàn)線性趨勢,篩面加速度逐漸提高,物料分散程度增強,透篩時間縮短;彈簧預壓縮量單因素試驗結(jié)果如圖14所示,當激振頻率為1 Hz時,加速度幅值隨彈簧預壓縮量的增大而增大,總體呈現(xiàn)線性趨勢,篩面加速度逐漸提高。清篩裝置振動激勵作用隨兩因素的增大而增強。

圖13 加速度隨激振頻率變化曲線

圖14 加速度隨彈簧預壓縮量變化曲線

激振力作用時,篩面加速度可達篩面自激振動的30～40倍,可在激振瞬間充分擾動分散物料,改變其運動趨勢,提高篩面受激區(qū)域加速度,并傳遞給種子顆粒,改善其單一的近似直線運動狀態(tài),提高種子與篩孔接觸概率,增大篩面種子透篩概率,降低卡種幾率,合適的瞬時加速度有利于篩分效率及篩分質(zhì)量的提升,但針對不同種子物料,篩面加速度過大會導致種子運動速度過快,減少其在篩面運動時間,不易與篩孔接觸透篩,降低篩分質(zhì)量,故需要進行實際試驗確定適宜不同種子物料的最佳激振參數(shù)。

5 玉米種子清選試驗

為探究電磁變頻激振清篩裝置激振力及工作頻率對種子清選清篩過程的影響,以彈簧預壓縮量(激振力)、工作頻率為因素,種子凈度、篩分效率、卡種數(shù)量為指標進行全因素試驗,以獲得電磁變頻激振清篩裝置針對玉米種子清選的最優(yōu)作業(yè)參數(shù)。

5.1 清選試驗條件

將電磁變頻激振清篩裝置安裝于批次式種子清選機篩分裝置的篩片下,前期預試驗表明,激振清篩單體的頂柱頭部與篩片緊密貼合時作業(yè)效果較好,安裝時通過調(diào)節(jié)激振裝置安裝板位置使頂柱與篩片緊密貼合,試驗裝置如圖15所示。2022年6月在中國農(nóng)業(yè)大學工學院試驗室開展玉米種子清選試驗。根據(jù)文獻[7]確定針對玉米種子的適宜工作參數(shù)及篩片選取,采用圓孔篩片組合,上篩φ12 mm、下篩φ7.5 mm。玉米種子品種為稷秾101,千粒質(zhì)量為362 g,初始凈度92%,含水量10.8%。種子清選機工作參數(shù)為振幅6 mm,振動頻率6 Hz,篩面傾角3.5°,給料速度0.06 kg/s。試驗前配制9 kg初始凈度為92%的玉米種子,混拌均勻后,每批次取3 kg進行試驗,同一試驗條件重復3批次,取均值為試驗結(jié)果。其他儀器設(shè)備有電子秤、轉(zhuǎn)速計、傾角儀、計時器等。

圖15 批次式種子清選機

5.2 清選試驗設(shè)計

種子清選清篩性能試驗以前述清選機工作參數(shù)完成清選作業(yè),通過調(diào)節(jié)電磁變頻激振清篩裝置的彈簧預壓縮量來改變激振力,調(diào)節(jié)電磁鐵通斷電頻率改變工作頻率,進行二因素四水平全因素試驗,根據(jù)前期預試驗結(jié)果,確定彈簧預壓縮量為1～4 mm,工作頻率為0.5～5.0 Hz。試驗因素水平表如表2所示[29]。

表2 試驗因素水平

清選作業(yè)結(jié)束后,傳感器2檢測到篩面無種子流動時,電磁變頻激振清篩裝置自動調(diào)節(jié)頻率為清篩頻率(50 Hz),完成篩面滯留種子的清理。分別統(tǒng)計各組參數(shù)下清選作業(yè)后玉米種子的凈度、篩分效率、篩分時間及卡種數(shù)量,以期優(yōu)選適用玉米種子清選的電磁變頻激振清篩裝置作業(yè)參數(shù),并驗證其對種子清選過程的促進效果以及作業(yè)結(jié)束后的篩面清理效果。

5.3 清選試驗指標

根據(jù)種質(zhì)材料清選要求,參考GB/T 5983—2013《種子清選機試驗方法》等標準規(guī)范,確定種子清選試驗指標為凈度SJ、篩分效率SX、篩分時間ST、篩面卡種數(shù)量SG。篩分時間ST為供料開始至清選結(jié)束所用時間。卡種數(shù)量SG為清篩結(jié)束后篩面堵孔種子數(shù)量。

凈度SJ計算式為

(18)

式中W——合格種子出料口排出的種子質(zhì)量,kg

W1——合格種子中雜質(zhì)質(zhì)量,kg

篩分效率SX計算式為

(19)

式中Z1——實際篩出的雜質(zhì)質(zhì)量,kg

Z2——種子物料實際所含雜質(zhì)總質(zhì)量,kg

5.4 清選試驗結(jié)果與分析

以彈簧預壓縮量、工作頻率為因素,以凈度、篩分效率、篩分時間、卡種數(shù)量為指標,開展二因素四水平全因素試驗。試驗方案及結(jié)果如表3所示。

表3 試驗方案及結(jié)果

凈度、篩分效率、篩分時間方差分析如表4～6所示。對于凈度,試驗因素X1不顯著,X2極顯著,模型極顯著;對于篩分效率,試驗因素X1顯著,X2極顯著,模型極顯著;對于篩分時間,試驗因素X1和X2極顯著,模型極顯著,針對3個指標,模型均有效。

表4 凈度方差分析

表5 篩分效率方差分析

表6 篩分時間方差分析

當彈簧預壓縮量為2 mm時,凈度、篩分效率隨工作頻率變化曲線如圖16所示。各組凈度及篩分效率均隨工作頻率的增大先增大后減小,工作頻率過低時玉米種子無法得到有效分散,篩面加速度不足,降低透篩概率,影響篩分質(zhì)量,清選后期階段篩面少量種子難以快速透篩,延長批次作業(yè)時間,影響作業(yè)效率,效果較差;工作頻率達到3.5 Hz時作業(yè)效果較好,種子分散程度合適,透篩概率增大,清選作業(yè)效率及質(zhì)量均有所提高;而繼續(xù)增大激振頻率至5 Hz后篩面種子運動速度過快,與篩孔接觸概率降低,種子過于活躍導致透篩概率下降,清選質(zhì)量降低。綜上可知,3.5 Hz為適宜玉米種子清選作業(yè)的工作頻率。

圖16 彈簧預壓縮量為2 mm時凈度和篩分效率隨工作頻率變化曲線

當工作頻率為0.5 Hz時,凈度、篩分效率隨預壓縮量變化曲線如圖17所示。隨著彈簧預壓縮量的增大,凈度及篩分效率逐漸增大,較低頻率下需要較大激振力才能使種子物料分散透篩;且較大激振力可加快清選后期階段剩余種子透篩,縮短作業(yè)時間提高清選作業(yè)效率,但由于工作頻率過低,作業(yè)效果不佳。

圖17 工作頻率為0.5 Hz時凈度和篩分效率隨預壓縮量變化曲線

當工作頻率為3.5 Hz時,凈度、篩分效率隨預壓縮量變化曲線如圖18所示。隨著彈簧預壓縮量的增大,激振力增大,篩面瞬時加速度增大,清選后種子凈度及篩分效率先增大后減小。分析可知,預壓縮量較小時,激振力較小不利于分散種子物料,需增大激振力以提高清選效果,而激振力過大會導致種子運動速度過快,通過篩面用時過短,降低接觸篩孔幾率,導致清選效果下降。

圖18 工作頻率為3.5 Hz時凈度和篩分效率隨預壓縮量變化曲線

分析各組數(shù)據(jù)中篩分時間變化可知,預壓縮量1 mm下采用各工作頻率清選作業(yè)后期所需時間較長,而增大壓縮量至2 mm后,在工作頻率3.5 Hz下作業(yè)時間并無差別,均可在較短時間內(nèi)促進剩余種子透篩出料。分析各組數(shù)據(jù)卡種數(shù)量變化可知,清選作業(yè)結(jié)束后自動調(diào)節(jié)激振清篩裝置頻率至50 Hz(清篩頻率)可有效清理篩面殘留玉米種子,僅在壓縮量為1 mm時有1～2粒種子殘留,其余工況下均可實現(xiàn)篩面完全清理。如圖19所示,紅圈內(nèi)篩面堵孔種子在激振清篩裝置清篩頻率強振下彈出篩孔,實現(xiàn)篩面無種子殘留。故綜合分析預壓縮量2 mm為適宜玉米種子清選的較優(yōu)設(shè)置。

圖19 清篩過程

綜上所述,針對玉米種子,預壓縮量2 mm、工作頻率3.5 Hz、清篩頻率50 Hz時可達到較優(yōu)作業(yè)效果,清選后種子凈度99.1%,篩分效率88.6%,篩分時間70 s;清選結(jié)束后自動調(diào)節(jié)激振清篩裝置頻率至清篩頻率,可有效清理篩面滯留種子,卡種數(shù)量為0,作業(yè)效果良好,滿足種子清選機國標要求。

6 結(jié)論

(1)針對橡膠球清篩裝置清篩激勵不可控等問題,設(shè)計了一種電磁變頻激振清篩裝置,闡述了總體結(jié)構(gòu)與工作原理,設(shè)計了激振清篩單體與變頻激振控制系統(tǒng),通過分段設(shè)置工作頻率與清篩頻率,實現(xiàn)了清篩裝置激振力的精準調(diào)控。

(2)分析了振動激勵作用機制;以篩面中心加速度為指標,研究了彈簧預壓縮量與激振頻率對振動激勵的影響規(guī)律,結(jié)果表明兩者均與振動激勵正相關(guān),經(jīng)激振作用后篩面加速度提高,有助于提高篩面種子分散程度,促進種子清選作業(yè)。

(3)以凈度、篩分效率、篩分時間、卡種數(shù)量為指標開展了16組玉米種子清選試驗,試驗結(jié)果表明彈簧預壓縮量為2 mm、工作頻率為3.5 Hz、清篩頻率為50 Hz時清篩裝置具有較好的作業(yè)效果,種子凈度99.1%,篩分效率88.6%,篩分時間70 s,卡種數(shù)量為0,分段自動調(diào)控工作頻率與清篩頻率,實現(xiàn)了清篩激振力精準調(diào)控,提高了批次式種子清選機作業(yè)性能,實現(xiàn)清選作業(yè)后篩面無種子殘留。